基于卡爾曼濾波器-PID的水泥磨出口溫度控制研究

姚連國(guó) 喬俊奇 周立東 劉 超 陳燕伏

中材建設(shè)有限公司（100176）

在當(dāng)前的生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中，大部分的控制回路仍采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、魯棒性強(qiáng)的PID控制策略。PID控制作為一種經(jīng)典的控制方法，幾乎遍及了整個(gè)工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域，是實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)過程正常運(yùn)行的基本保證；控制器的性能直接關(guān)系到生產(chǎn)過程的平穩(wěn)高效運(yùn)行以及產(chǎn)品的最終質(zhì)量，因此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在控制器參數(shù)的整定上。PID控制的基本思想是將偏差的比例、積分和微分三參數(shù)通過線性組合構(gòu)成控制器，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和人工智能技術(shù)在自動(dòng)控制領(lǐng)域的不斷滲透，出現(xiàn)了各種實(shí)用的PID控制器整定方法。PID控制器作為最通用的控制模塊，對(duì)它進(jìn)行參數(shù)整定有許多方法；對(duì)于不同的控制要求、不同的系統(tǒng)先驗(yàn)知識(shí)，可以考慮采用不同的方法；這些算法既要考慮到收斂性、直觀性、簡(jiǎn)單易用性，還要綜合考慮干擾及過程變化的影響，并能根據(jù)較少的信息和計(jì)算，給出較好的結(jié)果。文章設(shè)計(jì)的卡爾曼濾波器-PID控制系統(tǒng)，可以通過卡爾曼濾波器對(duì)溫度信號(hào)測(cè)量時(shí)的白噪聲干擾進(jìn)行濾波，從而獲得較為精準(zhǔn)的溫度值，避免由于干擾產(chǎn)生的誤差影響控制效果，進(jìn)而影響水泥的質(zhì)量和產(chǎn)量。

1 水泥磨出口溫度控制系統(tǒng)的參數(shù)

水泥磨出口溫度間接反映磨內(nèi)溫度，而磨內(nèi)溫度直接影響水泥的產(chǎn)量。溫度過高，細(xì)粉水泥的靜電會(huì)增加，其吸附能力便會(huì)增強(qiáng)，從而加重了糊球、糊襯板和糊篦板現(xiàn)象，減小了粉磨作用，降低了粉磨效率，增加了粉磨電耗；同時(shí)導(dǎo)致選粉機(jī)風(fēng)葉、導(dǎo)向片黏附粉塵增加，水泥的分散性降低，使得選粉效率降低，加大了粉磨系統(tǒng)的循環(huán)負(fù)荷率，降低了水泥磨的臺(tái)時(shí)產(chǎn)量；磨機(jī)在高溫下運(yùn)行，易造成軸承溫度升高，油膜形成困難，潤(rùn)滑作用降低，甚至引起磨機(jī)跳停；此外，高溫還會(huì)使磨筒體產(chǎn)生一定的熱應(yīng)力，引起襯板螺絲折斷，危及設(shè)備安全。溫度過低，會(huì)導(dǎo)致石膏脫水不完全，最終影響水泥產(chǎn)量。

因此，水泥磨出口溫度至關(guān)重要，而熱風(fēng)爐對(duì)水泥磨出口溫度有絕對(duì)的影響，所以我們選擇熱風(fēng)爐電磁閥的開度作為控制量。

2 基于卡爾曼濾波器的控制器系統(tǒng)組成

PID控制的基本思想是將偏差的比例、積分和微分三參數(shù)通過線性組合構(gòu)建成控制器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控制對(duì)象的控制。由于對(duì)控制品質(zhì)的要求越來越高，并且控制對(duì)象越來越復(fù)雜，特別是在具有干擾噪聲的系統(tǒng)中，因PID控制器的局限性，控制器的參數(shù)難以自動(dòng)調(diào)整，不能達(dá)到理想的控制效果。我們將卡爾曼濾波器與傳統(tǒng)的PID控制相結(jié)合，利用卡爾曼濾波器的濾波功能，將濾波后的信號(hào)反饋給PID控制器，達(dá)到減小噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響、提高控制品質(zhì)的目的?；诳柭鼮V波器的PID控制系統(tǒng)由兩部分組成：第一部分是傳統(tǒng)的PID控制器，直接對(duì)被控制對(duì)象進(jìn)行閉環(huán)控制；第二部分是卡爾曼濾波器，將輸入與輸出的偏差、控制量及系統(tǒng)的輸出進(jìn)行整合，達(dá)到性能指標(biāo)最優(yōu)化、改善控制效果的目的。基于卡爾曼濾波器的PID控制系統(tǒng)如圖1所示，其中：W為控制干擾噪聲信號(hào)（也稱過程噪聲），V（t）為干擾噪聲，yv為受到干擾后的輸出信號(hào)，y0為經(jīng)過卡爾曼濾波器處理的輸出信號(hào)。

3 熱風(fēng)爐電磁閥開度控制器設(shè)計(jì)

熱風(fēng)爐為水泥磨系統(tǒng)提供熱量，讓其保持一定的溫度，從而提高水泥的產(chǎn)量。但是通過熱風(fēng)爐電磁閥控制水泥磨出口溫度時(shí)，外界的干擾因素會(huì)影響出口溫度的測(cè)量精確度，所以我們考慮利用卡爾曼濾波器將干擾降到最低，以保證出口溫度的控制精度，進(jìn)而保證水泥磨處于最佳生產(chǎn)狀態(tài)。

通過上述考慮，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)利用水泥磨出口溫度參數(shù)來控制熱風(fēng)爐電磁閥開度的控制系統(tǒng)，如圖2所示。預(yù)設(shè)一個(gè)水泥磨出口溫度值，通過控制熱風(fēng)爐電磁閥的開度來控制噴油量，使水泥磨出口溫度發(fā)生改變。將溫度采樣信號(hào)通過卡爾曼濾波器進(jìn)行濾波，輸出最優(yōu)溫度值，然后進(jìn)行反饋，達(dá)到控制水泥磨出口溫度保持恒定的目的。

圖2 熱風(fēng)爐電磁閥開度控制圖

4 卡爾曼濾波器-PID控制器實(shí)驗(yàn)仿真

設(shè)置控制干擾信號(hào)W和測(cè)量噪聲信號(hào)V均為0.045，輸入為階躍信號(hào)，仿真時(shí)間為20 ms。分別采用普通PID控制和基于卡爾曼濾波器的PID控制進(jìn)行仿真。

可見：常規(guī)PID控制系統(tǒng)經(jīng)過幾次超調(diào)后便可穩(wěn)定在指定狀態(tài)，但在調(diào)節(jié)過程中存在幾次超調(diào)，受白噪聲的干擾較大；基于卡爾曼濾波器的PID控制系統(tǒng)的過渡時(shí)間較短，在過渡過程結(jié)束后系統(tǒng)即進(jìn)入指定的運(yùn)行狀態(tài)，并很好地抑制了白噪聲污染的干擾，能輸出更精準(zhǔn)的信號(hào)。

基于卡爾曼濾波器的PID（右）圖3

5 總結(jié)

文章對(duì)基于卡爾曼濾波器的PID控制系統(tǒng)進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果證明了該方法有效?？柭鼮V波器-PID控制系統(tǒng)能很好地削弱白噪聲對(duì)水泥磨出口溫度信號(hào)的干擾，可以得到一個(gè)穩(wěn)定的系統(tǒng)輸出，顯著減小噪聲的影響，減少震蕩次數(shù)，收斂較快，能對(duì)出口溫度的變化做出迅速的反應(yīng)，保證出口溫度恒定，提高水泥生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量。